За что дали Нобелевскую премию 2020 по химии: как люди научились редактировать гены
%%TRASH_CHAPTERS%%
Как люди открыли ДНК
Грегор Мендель — автор законов наследственности
За последние 150-200 лет учёные значительно продвинулись в понимании того, как устроено всё живое. Сначала Грегор Мендель (Gregor Mendel) смог сформулировать законы наследственности. С 1856 по 1863 год он проводил опыты на горохе в экспериментальном монастырском саду и объяснил механизмы наследования, известные сегодня как «Законы Менделя». Именно Мендель предположил, что отличия организмов обусловлены некими факторами, которые позже назовут генами. Это стало первым шагом на пути к современной генетике. В 1869 году из остатков клеток, содержащихся в гное, Фридрих Мишер (Friedrich Miescher) выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. Он назвал его нуклеин, но потом обнаружил, что это вещество обладает кислотными свойствами, и изменил название на нуклеиновая кислота. Позже стало известно, что клетка любого живого организма состоит из трёх основных макромолекул: ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота), РНК (Рибонуклеиновая кислота) и белков.
Художественное представление строения ДНК
Лишь в 30-е годы XX века выдающийся американский генетик Милислав Демерец (Milislav Demerec) предположил, что именно молекулы ДНК являются носителями генетической информации. До этого в основном считалось, что наследование происходит благодаря белкам. С конца 40-х до начала 50-х годов многие независимые команды учёных провели ряд экпериментов, благодаря которым стало точно известно, что наследственная информация записана именно в ДНК, а не белках. И наконец в 1953 году была опубликована работа Джеймса Уотсона (James Watson) и Фрэнсиса Крика (Francis Crick) о двунитевом строении молекул ДНК. Они предположил, что эти молекулы существуют в виде двойной спирали, где порядок чередования составных частей одной из нитей строго задает порядок чередования частей в другой, а гигантские по длине отрезки молекул ДНК и есть гены.
Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон создают модель структуры ДНК
Когда эта структура была подтверждена, работа Уотсона и Крика была удостоена Нобелевской премии по физиологии или медицине 1962 года. Среди лауреатов также был Морис Уилкинс, который проводил рентгеноструктурный анализ, но отсутсвовала Розалинд Франклин, скончавшеяся к тому времени от рака (премия не присуждается посмертно). Таким образом, учёные разгадали некоторые тайны жизни — где хранится и с помощью чего передаётся генетическая информация. С тех пор человечество заинтересовалось возможностью влиять на эти данные и процессы. Учёные хотели научиться редактировать ДНК. На разных этапах развития генетики было придумано несколько методов, но все они были чересчур сложными и грубыми. А точные генетические «ножницы» были разработаны, как и многие другие важнейшие изобретения в человеческой истории, случайно.
История создания «генетических ножниц»
Эммануэль Шарпантье. Фото: EPA/CLEMENS BILAN
Эммануэль Шарпантье всегда интересовалась патогенными бактериями. Почему они такие агрессивные? Как они развивают устойчивость к антибиотикам? Можно ли найти такие методы лечения, которые остановят их прогресс? В 2002 году она начала собственное исследование при Венском университете, сосредоточившись на одном из самых вредных для людей видов бактерий — стрептококк пиогенный (Streptococcus pyogenes). Свою работу она начала с определения того, как регулируются гены этой бактерии. Тем временем Дженнифер Дудна возглавляла исследовательскую группу в Калифорнийском университете в Беркли. Она занималась исследованием РНК-интерференции (одного из процессов регулировки активности генов в клетках), когда в 2006 году к ней обратились микробиологи с неожиданным открытием.
Дженнифер Дудна
Когда исследователи сравнили генетический материал совершенно разных бактерий и архей (тип микроорганизмов), они обнаружили повторяющиеся последовательности ДНК. Один и тот же код появлялся снова и снова, но между этими повторениями были и уникальные последовательности. Эти массивы повторяющихся последовательностей называются CRISPR — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами (clustered regularly interspaced short palindromic repeats). Самое интересное, что между этими повторами располагались участки, соответствующие генетическому коду различных вирусов. Оказалось, что эти участки используются иммунной системой. Бактерии и археи, столкнувшись с вирусами и выжив, сохраняют в своей ДНК гены чужаков, а затем передают их по наследству. При встрече с новым чужаком они сверяются со своей «базой данных».
Работа иммунной системы стрептококка пиогенного. Источник: nobelprize.org
Кроме того, исследователи обнаружили особые гены, названные CRISPR-associated (CRISPR-ассоциированными), сокращенно Сas. Они оказались очень похожи на белки, которые до этого использовались для разрезания ДНК. Дудна посвятила несколько лет исследованию назначения определённых белков Cas, которые обозначают цифрами. Например, с помощью группы белков Cas9 можно разрезать генетический код. Тем временем Эммануэль Шарпантье обнаружила, что в стрептококке пиогенном присутствует большое количество малых молекул РНК. Их генетический код удивительным образом напоминал специфическую последовательность CRISPR в геноме бактерии. Сопоставляя карты последовательностей малых молекул РНК и повторяющихся частей CRISPR, Шарпантье обнаружила новую молекулу — trans-activating crispr RNA (tracrRNA). Она также была частью иммунной системы бактерии, и помогала уничтожать чужеродную ДНК.
Генетические ножницы CRISPR/Cas9. Источник: nobelprize.org
В 2011 году Шарпантье опубликовала работу о tracrRNA. Чтобы продолжить исследования она решила объединиться с Дженнифер Дудной, у которой были широкие познания о РНК, а также о новой системе CRISPR/Cas для разрезания ДНК. В 2012 году они успешно воссоздали «природные ножницы» бактерии, чтобы вырезать часть генетической информации. Благодаря знаниям о работе системы CRISPR/Cas9 им удалось модифицировать генетические ножницы до такой степени, что они могли точно и аккуратно вырезать любую молекулу ДНК в любом месте. Более того, новый метод оказался достаточно простым и удобным. Статья с результатами работы Шарпантье и Дудны вышла в 2012 году и взорвала научный мир. Генная инженерия вышла на новый уровень. Перед человечеством открылась возможность редактировать код жизни.
Используя генетические ножницы, учёные могут редактировать геном практически всех живых существ
Что раньше требовало огромных усилий, затрат времени и денег, с помощью CRISPR/Cas9 стало легко и доступно. Новая технология позволяет как удалять участки генетического кода, так и вставлять новые последовательности. Её используют для выведения новых сортов растений, изучения функций отдельных генов, чтобы изменять ДНК в клетках животных и даже людей. С началом пандемии учёные разработали CRISPR-тесты на коронавирус. «Генетические ножницы» даже продаются как наборы для лабораторных работ в школе. Технология CRISPR/Cas может избавить человечество от тяжёлых наследственных болезней, ведь код человека можно будет отредактировать ещё до рождения. В 2018 году генетик из Китая Хэ Цзянькуй (He Jiankui) утверждал, что использовал технологию CRISPR/Cas9 для редактирования генов девочек-близнецов, чтобы создать первых генетически модифицированных детей, что стало причиной крупного скандала.
Официальная иллюстрация Нобелевского комитета
С течением времени технология будет становиться всё более совершенной и позволит получать животных, растения и микроорганизмы с заданными свойствами. И даже людей. В этом и кроется главная загвоздка. Несмотря на то, что с помощью «генетических ножниц» человечество может избавиться от рака, получить новые возможности, которые не дала природа, учёные и политики продолжают спорить о этичности, какие эксперименты допустимы, а какие нет. Где лежит граница модификации человека?
«Этот генетический инструмент обладает огромной силой, которая влияет на всё человечество. Это революция в фундаментальной науке», — сказал Клаес Густафссон (Claes Gustafsson), председатель Нобелевского комитета по химии.Нет сомнений, что изобретение Шарпантье и Дудны радикально изменит жизнь людей, как двигатель внутреннего сгорания, электричество и интернет.